Veranstaltung: Digitaltechnik

Nummer:
148169
Lehrform:
Vorlesung und Übungen
Medienform:
Folien, rechnerbasierte Präsentation, Tafelanschrieb
Verantwortlicher:
Prof. Dr.-Ing. Jürgen Oehm
Dozenten:
Prof. Dr.-Ing. Jürgen Oehm (ETIT), Dipl.-Ing. André Feiler (ETIT), Dipl.-Ing. Dominic Funke (ETIT), Dipl.-Ing. Ivan Stoychev (ETIT)
Sprache:
Deutsch
SWS:
3
LP:
siehe Prüfungsordnung
Angeboten im:

Ziele

Ziel der Lehrveranstaltung 'Digitaltechnik' ist die Vermittlung elementarer Grundlagenkenntnisse aus den Bereichen Boolesche Algebra, Kostenoptimierung digitaler Schaltungen, Aufbau und die Wirkungsweisen von digitalen Grundschaltungen, Aufbau und Funktion von Basisfunktionalitäten aus denen sich z.B. ein Mikroprozessorsystem zusammensetzt (wie z.B. Zähler, Schieberegister, ALU, Bustreiber, Speicher). Weiterhin werden in der Lehrveranstaltung 'Digitaltechnik' zentrale Kenntnisse über den inneren schaltungstechnischen Aufbau aktueller Logikfamilien vermittelt, die besonderen Eigenschaften einer CMOS-Logik, die Skalierungseigenschaften von CMOS-Technologien und ihre Auswirkungen auf die elektrischen Eigenschaften logischer Schaltungen und Systeme. Mit diesem Wissen sollten die Studenten in der Lage sein, zukünftige Entwicklungen in den Integrationstechnologien, und damit in der Digitaltechnik bezüglich ihrer Möglichkeiten und Grenzen einzuschätzen.

Inhalt

  • Historischer Rückblick, Motivation Digitaltechnik
  • Boolesche Algebra
  • Zahlendarstellungen, Rechenwerke, ALU
  • Flankendetektoren, Flip-Flops (FFs)
  • Teiler, Zähler, Schieberegister, Halbleiterspeicher
  • Tools zur Logikanalyse
  • Dioden-Logik, Dioden Transistor Logik, Transistor Transistor Logik, CMOS-Logik
  • CMOS Technologie, Moore’s Law
  • CMOS Standard-Zellen Konzept

Die Vorlesung beginnt mit den theoretischen Grundlagen der Schaltalgebra. Danach werden verschiedene Verfahren zur Vereinfachung von logischen Netzwerken vorgestellt. Die vereinfachten logischen Netzwerke gilt es dann auf der Basis der schaltungstechnischen logischen Grundfunktionen NAND, NOR und NOT in kostenoptimale logische Netzwerke zu überführen. Dabei wird der Begriff der Kosten sowohl unter dem Gesichtspunkt des Hardwareaufwands, als auch unter dem Gesichtspunkt der Summe der Gatterlaufzeiten in den Signalpfaden eingeführt. Der zweite Teil der Vorlesung beschäftigt sich mit den zentralen Eigenschaften der wichtigsten Logikfamilien. Voran gestellt werden zunächst die klassischen Logikfamilien (Dioden-Logik, Dioden-Transistor-Logik, Transistor-Transistor-Logik) in Verbindung mit ihren typischen Merkmalen. Vor dem Hintergrund des aktuellen Technologiefortschritts werden daran anschließend die zentralen Merkmale einer CMOS-Technologie, das Moore'sche Gesetz, die Auswirkungen von Technologieskalierungen auf die Schaltzeiten der CMOS-Gatter, die CMOS-Logik und das CMOS-Standard-zellenkonzept vorgestellt. Der dritte Teil der Vorlesung beschäftigt sich mit den höherwertigen digitalen Funktionsgruppen. Dazu gehören z.B. Flipflops, Zähler, Schieberegister, Multiplexer/Demultiplexer, Rechenwerke/ALU und Speicher. Die Konzepte synchroner/asynchroner Taktsteuerungen und paralleler/sequentieller Datenverarbeitung werden in Verbindung mit den möglichen unterschiedlichen Architekturen der höherwertigen Funktionsgruppen diskutiert.

Empfohlene Vorkenntnisse

  • Grundlagen der Elektronik

Erforderlich sind zudem elementare Kenntnisse in:

  • Grundlagen der Elektrotechnik
  • Mathematik

Materialien

Klausur:

Literatur

  1. Katz, Randy H. "Contemporary Logic Design", Prentice Hall, 1993
  2. Beikirch, Helmut, Seifart, Manfred "Digitale Schaltungen", Verlag Technik, 1998
  3. Borucki, Lorenz, Stockfisch, Georg "Digitaltechnik", Teubner Verlag, 1989
  4. Pernards, Peter "Digitaltechnik I. Grundlagen, Entwurf, Schaltungen", Hüthig, 2001
  5. Fricke, Klaus "Digitaltechnik. Lehr- und Übungsbuch für Elektrotechniker und Informatiker", Vieweg, 2005
  6. Becker, Jürgen, Lipp, Hans Martin "Grundlagen der Digitaltechnik", Oldenbourg, 2005
  7. Gamm, Eberhard, Schenk, Christoph, Tietze, Ulrich "Halbleiter - Schaltungstechnik", Springer, 2002
  8. "Handbuch der Elektronik. Digitaltechnik", Medien Institut Bremen, 1999
  9. Eshragian, Karman, Eshragian, Kamran, Weste, Neil H. E. "Principles of CMOS VLSI Design: A Systems Perspective", Addison Wesley Longman Publishing Co, 1993
  10. Henke, Karsten, Wuttke, Heinz-Dieter "Schaltsysteme. Eine automatenorientierte Einführung", Pearson Studium, 2002
  11. Siemers, Christian, Sikora, Axel "Taschenbuch Digitaltechnik", Hanser Fachbuchverlag, 2002
  12. Schiffmann, Wolfram, Schmitz, Robert "Technische Informatik 1. Grundlagen der digitalen Elektronik", Springer, 2003

Sonstiges

Es wird eine vorlesungsbegleitende Zusatzübung (Tutorium) angeboten, die donnerstags von 13.00 Uhr bis 13.45 Uhr stattfindet.

Virtuelle Maschine zur Vorlesung

Die virtuelle Maschine zur Vorlesung kann ab sofort hier heruntergeladen werden: http://vms.ais.ruhr-uni-bochum.de/VM__20GB-Kubuntu-14.04_Digital-Suite-2V0.zip